EP2593247B1 - Basisabdichtung einer rückstandssalzhalde - Google Patents

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EP2593247B1
EP2593247B1 EP11758084.5A EP11758084A EP2593247B1 EP 2593247 B1 EP2593247 B1 EP 2593247B1 EP 11758084 A EP11758084 A EP 11758084A EP 2593247 B1 EP2593247 B1 EP 2593247B1
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base seal
bentonite
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stockpile
layer
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Hans-Joachim Kind
Matthias Kockx
Michael Lesch
Albrecht Palm
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D31/00—Protective arrangements for foundations or foundation structures; Ground foundation measures for protecting the soil or the subsoil water, e.g. preventing or counteracting oil pollution
    • E02D31/002—Ground foundation measures for protecting the soil or subsoil water, e.g. preventing or counteracting oil pollution
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B09—DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09B—DISPOSAL OF SOLID WASTE NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B09B1/00—Dumping solid waste

Definitions

  • Halden and top-day deposits of various kinds are known, for example, residue salt heaps.
  • residue salt heaps often have a height of over 120 m and generate corresponding surface loads and shear stresses. That is, the large weight of high normal and tangential forces are exerted on the ground of the footprint. The consequence of this is a deformation at the base of the heap, that is, settlements and vertical displacements occur.
  • these deformations here the subsidence, are higher due to the load than in the marginal areas. In the marginal areas occur in addition to the subsidence and vertical shifts.
  • the state of the art for sealing the pile base are clay seals, which are also used for residue salt dumps.
  • a clay layer with a thickness of about 0.3 m is applied to the subfloor on which the heap is heaped up.
  • the permeability coefficient of such a clay layer is k ⁇ 10 -9 m / s.
  • Another variant consists in a so-called compensation of the topsoil.
  • a tempered topsoil is meant a soil, in the clay flour or bentonite with a corresponding Weight is incorporated.
  • the proportion of clay flour is between 3 and 10% by weight, depending on the nature of the soil.
  • a variant of a base seal presents itself as a base sealing system of multimineral sealing layers with at least one mineral sealing layer.
  • the sealing layer has as a base a geotextile, wherein on the geotextile a clay mineral Erdbaustoff is provided which has a cover of foundry sand.
  • This layer of foundry sand and clay mineral earthworking material results in the mineral sealing layer.
  • the foundry sand acts as a sacrificial layer for the clay mineral earthworking material, inasmuch as the foundry sand penetrates the self-healing of cracks in the sealing layer as a whole.
  • a mixture of clay powder and foundry sand is provided as a sealing layer.
  • Another variant for a mineral sealing layer is characterized by a mixture of a clay mineral Erdbaustoff and foundry sand. Furthermore, a variant of a mineral sealing layer is then described as a mixture of a granular sealing layer with a proportion of sand / gravel with a grain size of 0.6 to 32 mm, the grain size of 0 to 0.6 mm is replaced by bentonite bonded foundry sands , Alternatively, it is proposed to use fractured technical slag / drainage gravel with a grain size from 0.6 to 32 mm, whereby also the grain size of 0 to 0.6 mm is replaced by bentonite bonded foundry sands.
  • the base seal Due to the specific nature of the dam (high load, accumulation of saline wastewater, solubility and viscoplastic material behavior of the pile material) the base seal must be over have a corresponding strength, which resists the mechanical stresses and does not adversely affect the stability of the heap body. On the other hand, it must be sufficiently deformable to absorb the load-induced deformations of the substrate and the base seal, without losing their effectiveness.
  • the object underlying the invention is therefore to provide an alternative base seal for a heap in particular a residue salt heap, which can withstand the deformations under site conditions, without causing a significant deterioration of the permeability coefficient.
  • the base seal comprises two superimposed layers, wherein the upper layer consists of a mixture of gravel with a grain size range of 8 to 16 mm, sand with a grain size of 0 to 2 mm and bentonite or clay dust with a permeability coefficient of k ⁇ 10 -9 m / s, and the lower layer consists of a mixture of sand with a grain size range of 0 to 2 mm and bentonite or clay flour with a permeability coefficient of k ⁇ 5 * 10 -10 m / s and optionally a polymer.
  • the choice between bentonite or clay powder as part of the mixture for forming the base seal layer depends on which material is actually available in sufficient quantity.
  • the smectite content is more than 50%
  • the clay flour contains illite and smectite in different proportions.
  • a base seal formed in this way works as follows under the load of the heap:
  • the upper layer of the base cover with a mixture of gravel, sand and bentonite or clay flour constitutes a so-called grain-graded, mineral seal, wherein the grit range of the sand is between 0 and 2 mm and that of the gravel between 8 and 16 mm.
  • the bottom layer which is made of sand and bentonite or clay flour, is more ductile in consistency than the top layer. Due to the weight of the heap, stresses occur at the base, which can lead to stretching and compression. If such a deformation occurs, it has been found that when the base seal is stretched, the lower layer penetrates the upper layer, again ensuring that the base seal continues to perform its function.
  • the mixture of the lower layer comprises a polymer (eg a long carbon chain with a high molecular weight and correspondingly active side groups), which also retains the salt resistance improved.
  • the friction angle of the upper layer is ⁇ ⁇ 35 ° and that of the lower layer ⁇ ⁇ 30 °.
  • the material of the mixture of the lower layer can penetrate into the underside of the upper layer and thus ensures a substantially constant coefficient of permeability.
  • the designated with 1 residue salt pile stands on the subfloor 2, which is located between the residue salt hop 1 and the subfloor 2 designated 10 base seal.
  • the base seal denoted 10 includes the top layer 11 and the bottom layer 15.
  • the top layer 11 comprises a mixture of gravel, sand and bentonite or clay flour, whereas the bottom layer is finer and has sand and bentonite or clay flour.
  • the initial state of the base seal is shown.
  • the principle of the base seal according to the invention now consists in that the lower layer 15, which is finer and more ductile than the upper layer 16, presses into the lower part of the upper layer and thus the entire base seal remains effective or the effectiveness improves ,

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Description

  • Halden und obertägige Ablagerungen der unterschiedlichsten Art sind bekannt, so zum Beispiel auch Rückstandssalzhalden. Solche Rückstandssalzhalden haben häufig eine Höhe von über 120 m und erzeugen entsprechende Flächenlasten und Schubspannungen. Das heißt, durch das große Gewicht werden hohe Normal- und Tangentialkräfte auf den Untergrund der Aufstandsfläche ausgeübt. Die Folge hiervon ist eine Verformung an der Basis der Halde, das heißt, es treten Setzungen und vertikale Verschiebungen auf. Im Bereich der Verformung kann es zu Streckungen und Stauchungen des Dichtungssystems kommen. Im Zentrum der Halde sind diese Verformungen, hier die Setzungen, auflastbedingt höher als in den Randbereichen. In den Randbereichen treten neben den Setzungen auch vertikale Verschiebungen auf.
  • Diese Verformungen muss das Basisabdichtungssystem unter den jeweiligen haldentypischen Standortbedingungen aufnehmen.
  • Stand der Technik zur Abdichtung der Haldenbasis sind Tonabdichtungen, die auch für Rückstandssalzhalden zum Einsatz kommen. Hierbei wird auf dem Unterboden, auf dem die Halde aufgeschüttet wird, eine Tonschicht mit einer Mächtigkeit von ungefähr 0,3 m aufgebracht. Der Durchlässigkeitsbeiwert einer solchen Tonschicht liegt bei k ≤ 10-9 m/s. Eine andere Variante besteht in einer sogenannten Vergütung des Oberbodens. Unter einem vergüteten Oberboden wird ein Boden verstanden, in den Tonmehl oder Bentonit mit einem entsprechenden Gewichtsanteil eingearbeitet wird. Der Anteil des Tonmehls beträgt in Abhängigkeit von der Beschaffenheit des Bodens zwischen 3 und 10 Masseprozent.
  • Aus der EP 0 456 035 A2 ist in diesem Zusammenhang bekannt, bei einer Fahrbahndecke für befahrbare Verkehrsflächen, vornehmlich im Bereich von Tankstellen unterhalb des Fahrbahnbelages eine Dichtungsschicht aus einer Mischung aus Tonmineralien z. B. Montmorillonit und anderen Mineralstoffen vorzusehen. Die Mischung ist aus Fraktionen unterschiedlicher Körnung so zusammengesetzt, dass das Volumen der jeweils feineren Körnung größer als das Porenvolumen der jeweils größeren Körnung und das Größtkorn der feineren Körnung gleich oder kleiner als etwa 1/10 des Kleinstkorns der größeren Körnung sind.
  • Des Weiteren ist aus der EP 0 453 619 A1 ein mehrschichtiger Bodenaufbau für Plätze zum Ab- und Umfüllen von wassergefährdenden Stoffen, insbesondere Kohlenwasserstoffen bekannt, der eine Bentonit enthaltende Sperrschicht aufweist.
  • Aus der DE 19540387A1 sind mehrere Varianten einer Basisabdichtung bekannt. Eine Variante einer Basisabdichtung stellt sich als Basisabdichtungssystem aus multimineralischen Dichtungsschichten mit mindestens einer mineralischen Dichtungsschicht dar. Die Dichtungsschicht weist als Unterlage ein Geotextil auf, wobei auf dem Geotextil ein tonmineralischer Erdbaustoff vorgesehen ist, der eine Abdeckung aus Gießereialtsand aufweist. Diese Schicht aus Gießereialtsand und tonmineralischen Erdbaustoff ergibt die mineralische Dichtungsschicht. Hier fungiert der Gießereialtsand als Opferschicht für den tonmineralischen Erdbaustoff, und zwar insofern, als der Gießereialtsand zur Selbstheilung von Rissen in der Dichtungsschicht insgesamt eindringt.
  • Nach einer anderen Variante ist als Dichtungsschicht ein Gemisch aus Tonmehl und Gießereialtsand vorgesehen.
  • Eine weitere Variante für eine mineralische Dichtungsschicht zeichnet sich durch ein Gemisch aus einem tonmineralischen Erdbaustoff und Gießereialtsand aus. Weiterhin wird dann auch noch eine Variante einer mineralischen Dichtungsschicht als Gemisch einer körnigen Dichtungsschicht mit einem Anteil an Sand/Kies mit einer Körnung von 0,6 bis 32 mm beschrieben, wobei die Korngröße von 0 bis 0,6 mm durch Bentonit gebundene Gießereialtsande ersetzt wird. Alternativ hierzu wird vorgeschlagen gebrochenen technischen Schlacke/Drainagenkies mit einer Körnung ab 0,6 bis 32 mm einzusetzen, wobei auch hier die Korngröße von 0 bis 0,6 mm durch Bentonit gebundene Gießereialtsande ersetzt wird.
  • Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der Einsatz dieser Bentonit gebundenen Gießereisande zum Ersatz von Sand/Kies bzw. von technischer Schlacke/Drainagenkies vor dem Hintergrund erfolgt, solche natürlichen tonigen/schluffigen, sandigen und kiesigen Erdbaumaterialien durch einen billigen Ersatzstoff auszutauschen, ohne die Eigenschaften des Dichtungsmaterials zu verschlechtern.
  • Für die Weiterverarbeitung der einzelnen Komponenten zur Herstellung der Basisabdichtung ist vorgesehen, entweder die Einzelkomponenten einzeln dosiert einem Mischer zuzuführen und unter Wasserzugabe zu vermischen oder aber die Einzelkomponenten schichtweise auf Halde zu legen, um diese mittels einer Fräse bzw. eines Grubbers unter Wasserzugabe zu vermischen.
  • Aufgrund der haldenspezifischen Gegebenheiten (hohe Auflast, Anfall von versalzenem Haldenwasser, Löslichkeit und viskoplastisches Materialverhalten des Haldenmaterials) muss die Basisabdichtung über eine entsprechende Festigkeit verfügen, die den mechanischen Beanspruchungen widersteht und die die Standsicherheit des Haldenkörpers nicht negativ beeinflusst. Andererseits muss sie ausreichend verformbar sein, um die auflastbedingten Verformungen des Untergrundes und der Basisabdichtung aufzunehmen, ohne dabei ihre Wirksamkeit zu verlieren.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht demzufolge darin, eine alternative Basisabdichtung für eine Halde insbesondere eine Rückstandssalzhalde bereitzustellen, die unter standorttypischen Gegebenheiten den Verformungen widerstehen kann, ohne dass es zu einer wesentlichen Verschlechterung des Durchlässigkeitsbeiwerts kommt.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Basisabdichtung einer Halde, insbesondere einer Rückstandssalzhalde, vorgeschlagen, dass die Basisabdichtung zwei übereinander angeordnete Schichten umfasst, wobei die obere Schicht aus einem Gemisch aus Kies mit einem Körnungsbereich von 8 bis 16 mm, Sand mit einem Körnungsbereich von 0 bis 2 mm und Bentonit oder Tonmehl mit einem Durchlässigkeitsbeiwert von k ≤ 10-9 m/s besteht, und die untere Schicht aus einem Gemisch aus Sand mit einem Körnungsbereich von 0 bis 2 mm und Bentonit oder Tonmehl mit einem Durchlässigkeitsbeiwert von k ≤ 5*10-10 m/s und gegebenenfalls einem Polymer besteht. Die Wahl zwischen Bentonit oder Tonmehl als Teil des Gemisches zur Bildung der Schicht der Basisabdichtung hängt davon ab, welches Material tatsächlich in ausreichender Menge zur Verfügung steht. Bei dem Einsatz von Bentonit beträgt der Smektitanteil mehr als 50 %, das Tonmehl enthält Illit und Smektit in unterschiedlichen Mengenanteilen. Eine Basisabdichtung, die in dieser Weise ausgebildet ist, wirkt unter Beanspruchung der Halde in folgender Weise: Die obere Schicht der Basisabdeckung mit einem Gemisch aus Kies, Sand und Bentonit oder Tonmehl stellt eine sogenannte kornabgestufte, mineralische Dichtung dar, wobei der Körnungsbereich des Sandes zwischen 0 und 2 mm und der des Kieses zwischen 8 und 16 mmbeträgt. Die untere Schicht, die aus Sand und Bentonit oder Tonmehl hergestellt ist, ist von der Konsistenz her duktiler als die obere Schicht. Aufgrund des Gewichts der Halde treten Beanspruchungen an der Basis auf, was zu Streckungen und Stauchungen führen kann. Kommt es zu einer solchen Verformung, dann hat sich herausgestellt, dass bei einer Streckung der Basisabdichtung die untere Schicht in die obere Schicht eindringt, und dort wiederum dafür sorgt, dass die Basisabdichtung weiterhin ihre Funktion erfüllt. Das heißt, die Basisabdichtung regeneriert sich im Zuge der Verformung selbst. Zur Verminderung des Durchlässigkeitsbeiwertes umfasst nach einer Variante das Gemisch der unteren Schicht ein Polymer (z. B. eine lange Kohlenstoffkette mit hoher Molmasse und entsprechend aktiven Seitengruppen), was auch die Salzresistenz noch verbessert.
  • Vorteilhafte Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • So ist insbesondere vorgesehen, dass der Reibungswinkel der oberen Schicht ϕ ≥ 35 ° und der der unteren Schicht ϕ ≥ 30° beträgt. Bei auflastbedingter Verformung der Basisabdichtung, die sowohl vertikal als auch horizontal erfolgen kann, kann das Material des Gemisches der unteren Schicht in die Unterseite der oberen Schicht eindringen und sorgt auf diese Weise für einen im Wesentlichen gleichbleibenden Durchlässigkeitsbeiwert.
  • Ferner hat sich herausgestellt, dass der Anteil an Bentonit oder Tonmehl in dem Gemisch für die obere Schicht ca. 2 bis 10 Gewichtsprozent, vorzugsweise 3 bis 5 Gewichtsprozent an dem Gesamtgemisch beträgt. Der Anteil an Bentonit oder Tonmehl in dem Gemisch für die untere Schicht liegt bei ≥ 11 Gewichtsprozent in Bezug auf das Gesamtgemisch. Weiterhin hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die obere Schicht eine Mächtigkeit von ≥ 0,2 m, hingegen die untere Schicht eine Mächtigkeit von ≥ 0,1 m aufweist. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Menge an Tonmehl oder Bentonit in dem Gemisch der oberen Schicht im Wesentlichen von der Kornverteilung des Kiesanteiles abhängig ist. Das heißt, in Abhängigkeit von der Kornverteilung erfolgt die Zugabe von Tonmehl oder Bentonit. Es ist Stand der Technik, dass in Laborversuchen die Kornverteilung ermittelt und der Bentonit oder Tonmehlanteil darauf abgestimmt wird. Festzuhalten ist somit, dass aufgrund der Beanspruchungen die einzelnen Schichten sich aufgrund des Pressverbundes gegeneinander abdichten.
    Weiter auf Seite 5 der ursprünglichen Beschreibung
    Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielhaft näher erläutert und eingereicht.
    • Figur 1
    zeigt im Schnitt schematisch eine Rückstandssalzhalde;
    Figur 2
    zeigt schematisch eine zweischichtige ausgebildete Basisabdichtung im Ausgangszustand;
    Figur 3
    zeigt eine Basisabdichtung gemäß Figur 2 nach einer Verformung.
  • Die mit 1 bezeichnete Rückstandssalzhalde steht auf dem Unterboden 2 auf, wobei sich zwischen der Rückstandssalzhalde 1 und dem Unterboden 2 die mit 10 bezeichnete Basisabdichtung befindet. Die mit 10 bezeichnete Basisabdichtung umfasst die obere Schicht 11, und die untere Schicht 15. Die obere Schicht 11 weist ein Gemisch aus Kies, Sand und Bentonit oder Tonmehl auf, wohingegen die untere Schicht feiner ausgebildet ist, und Sand und Bentonit oder Tonmehl aufweist. Bei der Darstellung gemäß Figur 2 ist der Ausgangszustand der Basisabdichtung dargestellt.
  • Es ist bekannt, dass sich unter der Einwirkung der Beanspruchungen die Basisabdichtung verformen kann. Die Wirksamkeit der Basisabdichtung wird in den verformten Bereichen, die gestaucht und verdichtet werden nicht beeinflusst. In den Bereichen, die gestreckt und verdichtet werden, kann die Wirksamkeit zunehmen, das heißt, der Durchlässigkeitsbeiwert bleibt gleich oder wird geringer. Das Prinzip der erfindungsgemäßen Basisabdichtung besteht nunmehr darin, dass die untere Schicht 15, die feiner und duktiler ausgebildet ist als die obere Schicht 16, sich in den unteren Teil der oberen Schicht einpresst, und so die gesamte Basisabdichtung wirksam bleibt bzw. die Wirksamkeit sich verbessert.

Claims (8)

  1. Basisabdichtung einer Rückstandssalzhalde umfassend zwei übereinander angeordnete Schichten, wobei die obere Schicht aus einem Gemisch aus Kies mit einem Körnungsbereich von 8 bis 16 mm, Sand mit einem Körnungsbereich von 0 bis 2 mm und Bentonit oder Tonmehl mit einem Durchlässigkeitsbeiwert von k ≤ 10-9 m/s besteht, und die untere Schicht aus einem Gemisch aus Sand mit einem Körnungsbereich von 0 bis 2 mm und Bentonit oder Tonmehl mit einem Durchlässigkeitsbeiwert von k ≤ 5*10-10 m/s besteht.
  2. Basisabdichtung einer Rückstandssalzhalde umfassend zwei übereinander angeordnete Schichten, wobei die obere Schicht aus einem Gemisch aus Kies mit einem Körnungsbereich von 8 bis 16 mm, Sand mit einem Körnungsbereich von 0 bis 2 mm und Bentonit oder Tonmehl mit einem Durchlässigkeitsbeiwert von k ≤ 10-9 m/s besteht, und die untere Schicht aus einem Gemisch aus Sand mit einem Körnungsbereich von 0 bis 2 mm und Bentonit oder Tonmehl mit einem Durchlässigkeitsbeiwert von k ≤ 5*10-10 m/s und einem Polymer zur Verminderung des Durchlässigkeitsbeiwertes besteht.
  3. Basisabdichtung einer Halde nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Reibungswinkel der oberen Schicht ϕ ≥ 35 ° beträgt.
  4. Basisabdichtung einer Halde nach einem oder mehrerer der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Reibungswinkel der unteren Schicht ϕ ≥ 30 ° beträgt.
  5. Basisabdichtung einer Halde nach einem oder mehrerer der voranstehenden Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Anteil an Bentonit oder Tonmehl in dem Gemisch für die obere Schicht ca. 2-10 Gew. %, vorzugsweise 3-5 Gew. % beträgt.
  6. Basisabdichtung einer Halde nach einem oder mehrerer der voranstehenden Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Anteil an Bentonit oder Tonmehl in dem Gemisch für die untere Schicht ≥ 11 Gew. % beträgt.
  7. Basisabdichtung einer Halde nach einem oder mehrerer der voranstehenden Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die obere Schicht eine Mächtigkeit von ≥ 0,2 m aufweist.
  8. Basisabdichtung einer Halde nach einem oder mehrerer der voranstehenden Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die untere Schicht eine Mächtigkeit von ≥ 0,1 m aufweist.
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